7. Формирование понятия силы

Начало физики мы ведем с Древней Греции. Здесь и первые истоки понятия силы. У древних силы природы - это то, что обусловливает явления природы и управляет ими. Сила трактовалась как склонность тела к определенным действиям, присущее ему естественное свойство. Природа наделила этим свойством все тела. Поскольку всякое тело Вселенной наделено силон, то всегда предопределен характер его действия, его поведения. Здесь уместна аналогия: тело - телега, сила - лошадь. Куда пойдет лошадь, туда будет двигаться и телега. Это весьма общий взгляд, не имеющий физической конкретизации. Он сохранялся до эпохи Возрождения.

Впервые конкретизировал понятие силы Галилей: в механическом движении сила есть причина ускорения тела. Он понимал, что всякое тело, не взаимодействующее с другими телами, должно двигаться равномерно и прямолинейно. Сила - действие на данное тело какой-то причины, вызывающей изменение скорости тела. Пример - ускорение тела при свободном падении. Галилей пишет: "Тяжесть есть постоянно действующая сила и, следовательно, вызывает в каждый равный элемент времени равное приращение скорости, и движение становится равномерно ускоренным".

Французский философ и математик Рене Декарт (1596-1650) - родоначальник оригинального направления в физике и философии, наиболее популярный ученый XVII в. развил принципиально новые представления.

Согласно Декарту, Вселенная заполнена движущейся материей. Все явления природы обусловлены различными формами движения материи. Сила возникает только при соударении тел. Не существует никаких сил, кроме силы удара при соприкосновении тел.

Эти представления были разрушены Ньютоном. В "Математических началах натуральной философии" он развивает и уточняет мысль Галилея. Сила, по Ньютону, - причина изменения количества движения тела. Второй закон динамики в формулировке Ньютона дает строгую механическую трактовку понятия силы: сила есть действие на тело какой-то причины, вызывающей изменение количества движения тела; при этом увеличение или уменьшение количества движения пропорционально силе. Причиной изменения количества движения тела может быть толчок, удар. Тогда сила возникает при соприкосновении тел. Однако в противовес мнению Декарта, Ньютон утверждал, что сила может возникнуть и в том случае, когда тела удалены друг от друга. Так действуют сила тяготения, электрическая сила, магнитная сила. Важно подчеркнуть следующее. У Ньютона понятие силы впервые получает количественную определенность: силу можно измерить по изменению количества движения тела. В частном случае, если масса тела остается неизменной, сила измеряется по ускорению, которое приобретает тело.

Второй закон динамики Ньютона раскрывает еще одну грань понятия силы: сила может быть не только причиной, но и следствием изменения количества движения тела. Например, в случае падения электромагнитного излучения на препятствие, последнее испытывает действие силы давления. Давление электромагнитного излучения является следствием изменения импульса (количества движения) фотонов. Аналогично давление газа на стенки сосуда есть следствие изменения импульсов молекул газа при столкновении со стенками. Но это стало ясно лишь в настоящее время.

В середине XIX в. понятия "сила" и "энергия" не различались. Закон сохранения энергии вначале формулировался как закон сохранения силы. Классическая работа Гельмгольца, например, в которой закон сохранения энергии получил количественное выражение, называлась "О сохранении силы".

Многогранность понятия силы обусловила неоднозначность его толкования. В истории формирования этого понятия имела место тенденция вовсе исключить его из лексикона физики. Так, например, в конце XIX в. Кирхгоф в "Лекциях по теоретической физике" писал:

"Механика, по нашему мнению, должна черпать определения понятий, с которыми она оперирует, из одного лишь движения. Отсюда следует, что после введения системы сил, вместо простых сил, механика оказывается не в состоянии дать точное определение понятия силы".

Генрих Герц перед смертью опубликовал книгу "Принципы механики", в которой показал возможность построения механики на базе трех понятий: пространства, времени и массы. Действие сил между телами А и В на расстоянии Герц сводил к процессам механического движения в среде, наполняющей пространство между этими телами. В вакууме - это эфир, который, по Герцу, имеет характер чисто механической системы.

Развитие физики показало ограниченность таких представлений. Понятие силы заняло прочное место в ряду фундаментальных понятий физики.

Современная физика подходит к понятию силы как сложному понятию, содержание которого невозможно заключить в одно определение. Наряду с механическими силами существуют электромагнитные и ядерные силы. Их нельзя свести друг к другу. Каждый класс сил имеет свои особенности. Современная физика выделяет класс фундаментальных сил природы - силу тяготения, силу Лоренца, кулоновскую силу. Силы трения, упругости, поверхностного натяжения, аэродинамические силы к другие рассматриваются как сложная игра фундаментальных сил.

Наряду с понятием силы в современной физике широко используется понятие взаимодействия. Принята следующая классификация взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые.

Методические замечания. Когда речь идет о силе, как причине или следствии изменения-импульса тела, всегда имеет место взаимодействие данного тела с другими телами. Сила тяготения - следствие гравитационного взаимодействия данного тела с другими телами. Электрическая и магнитная силы - следствие взаимодействия заряженных тел. Сила внешнего (сухого) трения возникает при относительном перемещении соприкасающихся тел. Сила упругости возникает при деформациях, а последние являются всегда результатом взаимодействия и т. д.

Нужно связывать, но не отождествлять понятие силы и взаимодействия. Последнее шире понятия силы.

Хотя физика оперирует понятием "ядерные силы", но в этом случае речь идет просто о жаргоне. Не следует представлять дело так, что ядерная сила сообщает протону или нейтрону ускорение, что ядерная сила - вектор и т. д. Говоря о ядерных силах, физики имеют в виду взаимодействия протонов и нейтронов. Эти взаимодействия многообразны. Главное здесь в том, что взаимодействия могут приводить к превращениям частиц.

В курсах физики по исторической традиции сохраняются понятия электродвижущей силы, силы тока и силы света. Необходимо разъяснить учащимся, что физические понятия обладают своеобразной инертностью. Иногда смысл понятия изменяется в процессе развития науки, но слова остаются. Понятие электродвижущей силы появилось в то время, когда не была известна природа электрического тока, когда электрические явления надеялись свести к механическим процессам. Теперь мы знаем, что электродвижущая сила вовсе не является силой, однако по инерции это понятие остается в лексиконе физики. То же самое можно сказать и о понятиях силы тока и силы света.